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モノのインターネット（IoT）：実践ガイド

モノのインターネット（IoT）は、センサーやソフトウェアを使用してデータを収集し、インターネット経由で交換する物理的なデバイス、機械、その他のオブジェクトのネットワークです。これにより、リモート監視と制御が可能になります。

IoTアーキテクチャは、IoTデバイスから始まります。これは、インターネット接続をサポートし、センサーや測定手段を備えた技術の一部です。IoTデバイスは、人間や手動の介入なしに、センサーデータを自動的にIoTプラットフォームに送信します。IoTプラットフォームはデータを処理し、企業全体のシステム更新、ユーザーへの洞察提供、自動化されたアクションのトリガーなどのアクションを実行します。ビジネスおよびITユーザーは、IoTプラットフォームを使用してIoTエコシステムを維持し、デバイスを管理し、分析を適用し、IoTの洞察に基づいて新しいサービスを構築できます。簡単に言えば、IoTは風力タービン、塗装ロボット、自動車などの「モノ」が通信し、その状態をリアルタイムで更新することを可能にします。

IoTはどのように機能するのか？

IoTシステムアーキテクチャは4つの主要コンポーネントで構成されています：IoTデバイス、接続性、IoTプラットフォーム、アプリケーション層です。環境における各コンポーネントの役割を理解するために、それぞれを詳しく見てみましょう。

高レベルIoTアーキテクチャ

図1：IoTアーキテクチャの高レベル概要

第一に、IoTデバイスがあります。

これらの物理的デバイスは、情報を測定し送信する方法を含む実質的にあらゆるオブジェクトです。一般的なIoTデバイスには、温度、速度、圧力、振動、位置などのデバイス機能に関連するデータを測定するセンサー、カメラ、アクチュエーターが含まれます。デバイスはこの情報をIoTプラットフォームに通信します。

第二に、接続性があります。

ネットワークプロトコルは、IoTデバイスからプラットフォームに流れる情報の形式を標準化するために使用されます。プラットフォームがオンプレミスサーバーにあるか、より可能性の高いクラウドにあるかに関係なく。商用アプリケーション向けの一般的なIoTネットワークプロトコルには、LoRaWAN（LoRa Wide Area Network）と軽量M2M（LWM2M）が含まれます。

第三のコンポーネントはIoTプラットフォームです。

IoTプラットフォームは、IoTエコシステム内のすべてを接続する中央ハブです。IoTプラットフォームはIoTデバイスをインターネットに接続し、データの管理と分析を可能にし、IoTアプリケーションの構築と展開に必要なツールを提供します。IoTプラットフォームの一般的な機能には以下が含まれます：

デバイス管理 – デバイス接続、通信、データストレージ、メンテナンスの監視と管理。
データ管理 – IoTデバイスからのデータの収集、保存、管理、およびさらなる分析と処理のためのそのデータへのアクセス提供。
統合 – デバイスデータをエンタープライズアプリ、クラウドアプリ、ビッグデータアプリ、データレイク、サードパーティエコシステムと統合。統合フローを組み立て、IoTイベントに基づいて自動化されたアクションを開始。
分析 – IoTデータは価値がありますが、IoT分析はIoTデータにコンテキストを適用して、影響力のある決定を下すための有用な情報を明らかにします。分析により、パターンを特定し、その瞬間に行動し、過去から学び、将来の行動を予測できます。
アプリケーション開発 – IoTプラットフォームは、IoTデバイスと相互作用し制御できる新しいアプリケーションの開発を可能にするアプリケーションプログラミングインターフェース（API）とソフトウェア開発キット（SDK）を提供します。
セキュリティ – IoTデータには機密システムに対する独自情報と制御が含まれます。不正アクセスは壊滅的な機器故障や高コストなダウンタイムを引き起こす可能性があります。IoTプラットフォームには、デバイスとデータへの不正アクセスや悪意のある攻撃から保護するセキュリティ対策も含まれています。これには、暗号化、安全な通信プロトコル、認証メカニズムの使用が含まれます。

最後に、アプリケーション層です。

この層は、ERP、CRM、エンタープライズSaaSアプリケーションなど、企業がビジネスを運営するために使用するアプリケーションとソフトウェアで構成されます。IoTデータ統合は、これらのアプリケーションの更新を促進し、ユーザーに警告し、アクションをトリガーできます。これらのアプリケーションのユーザーは、運用から営業、人事まで、多くの異なる部門にまたがることがよくあります。

一般的なIoTユースケース

IoTは、資産、プロセス、ビジネス、顧客がどのように動作するかの詳細な理解を可能にするスマートで接続されたデバイスを構築するための基盤を提供します。IoTのアプリケーションは多様で、実質的にすべてのビジネスモデルと業界が適切なアプローチで大きな利益を得ることができます。

例えば、小売業者は無駄と過剰在庫を防ぐためにスマート注文にIoTを使用できます。より良い売上のために店舗レイアウトを最適化するために買い物客分析を使用したり、店舗近くのユーザーにアプリ経由で通知を送信したりできます。

通信会社は機器をリモート監視し、メンテナンスを予測して、通信サービスに依存する顧客の技術的問題や予期しないダウンタイムを防ぐことができます。

物流会社は、効率を向上させ、配送遅延による商品損失を削減するために、車両、在庫、人員を追跡できます。

IoT技術を組み込んだヘルスケアデバイスは、患者とその提供者が慢性疾患をリアルタイムで監視するのを助け、患者がより独立して、より少ない心配で生活できるようにします。

エネルギー会社は、水力発電タービンから風力発電所、水道メーターまで、あらゆる「モノ」を接続するIoTイニシアチブで効率と持続可能性を加速できます。センサー組み込みインフラストラクチャにより、停電を防ぎ、職場をより安全にし、やり直しを避けるために、機器の変化をリアルタイムで検出できます。

公益事業者は、エネルギー消費をリアルタイムで監視し、スマートグリッドイニシアチブを強化し、停電を削減するために、必要な場所に必要な時にエネルギーやその他の製品を配布できます。

製造業者は、接続された機器からのセンサーデータに基づいて、プロセス効率を向上させ、ダウンタイムを削減し、機器性能に関する洞察を得ることができます。

これらの例は、業界全体の組織がIoTの洞察の利益を活用できる方法のほんの一部に過ぎません。

IIoTとは何か？

この製造業の時代において、運用効率とデータは密接に関連しています。ここでIIoTが登場します。

産業用モノのインターネット（IIoT）は、産業環境でのIoT技術の応用を指します。IIoTのユースケース、機能、要件は、接続されたデバイスの広範なネットワークと関連するデータ量のため、他の業界でのIoTの応用よりも一般的により高度です。

IIoTにより、製造業者はリアルタイムデータ分析と監視を使用して、機敏で情報に基づいた制御を維持しながら、より良く運用できます。そして、IIoTを推進するのは機器メーカーです。「従来の製品」の製造から「スマート製品」の創造へとシフトする人々です。

スマートで接続された製品により、製造業者は顧客に新しい革新的なソリューションを提供でき、ビジネスモデルを変革し、さらに大きな価値を構築するためにEquipment-as-a-Serviceを提供する能力を持ちます。

IoT Analytics Equipment as a Service Market Reportによると、Equipment-as-a-Serviceマーケットの規模は2025年までに1,310億ドルになると予想され、2019年から6倍の増加です。間もなく、EaaSビジネスモデルへの加速は競争に先んじることではなく、競争に留まることになるでしょう。McKinsey Machinery & Industrial Automation surveyによると、回答者の95%が将来成功するためにビジネスモデルを変更することを期待しています。

IoTとIIoTの違い

IoTは、消費者とビジネス環境の両方で新しいユースケースの幅広い機会を創出します。産業用IoT（IIoT）はIoTのサブセットで、製造業やエネルギー管理などの産業アプリケーション向けにカスタマイズされたソリューションです。

IIoTは重要なインフラストラクチャと生産資産の管理に焦点を当てているため、IIoTアプリケーションを一般的なIoTから分離する特定の要因があります。IIoTを消費者グレードのIoTや汎用ビジネスIoTから分離するこれらの重要な機能には以下が含まれます：

相互運用性

ゼロから新しいアプリケーションを設計する自由は、特定の課題を回避することを容易にしますが、これはIIoT開発者に与えられる贅沢ではありません。産業用IoTアプリケーションは、幅広いOT資産とデバイス、レガシーエンタープライズITソリューション、通信プロトコルを持つ環境に統合する必要があります。クラウドコンピューティングツールの機能とクラウドでのデータ送信・保存コストとのトレードオフを考慮すると、IIoTソリューションはエッジ、ハイブリッド、クラウド展開に対して単一のUXを提供する必要もあります。

スケーラビリティ

個人消費者向けのIoTユースケースは数十のエンドポイントからのデータを統合し、商用展開は数百または数千を含む可能性がありますが、産業用IoT展開はそれを桁違いに超えてスケールできます。IIoT展開は頻繁に数万のデータポイントの統合を必要とし、世界中の異なる場所からのデータの組み込みを含む可能性があります。産業用IoTソリューションの最も重要な側面の一つは、企業全体で垂直および水平にスケールする能力です。

適応性

産業機械のプログラミングと再構成は頻繁に実行されます。これはリモート、現場、またはフィールドで行うことができます。産業および製造プロセスをサポートする産業用IoTソリューションは、信頼性のある柔軟性と適応性を提供する必要があります。

産業環境で動作するIoTソリューションは、必要な性能レベルを維持するためにサービス可能でなければなりません。これは、センサーの交換やファームウェアの更新から、ゲートウェイやサーバーの構成まで拡張できます。産業用IoTソリューションをそのライフサイクル全体にわたって維持する能力は、不可欠な要件です。

信頼性

産業製品は、大規模な交換が実行される前に数十年間動作するように設計されることがよくあります。極寒、高温、高振動、圧力、危険な条件などの過酷な環境での動作など、厳しい要件により、機器が高可用性を維持するためにIIoTアプリケーションは信頼性がなければなりません。

産業運用はまた、より高いレベルの精度を必要とします。自動化された高速機械は、ミリ秒単位で同期されます。したがって、そのようなシステムの品質を保証する必要があります。そのような大量製造プロセスの動作における小さな変動は、すぐに修正されなければなりません。偏差や遅延は、効率の低下やダウンタイムを引き起こし、相当な収益損失をもたらす可能性があります。

セキュリティ

あらゆる種類のIoTソリューションにはセキュリティが必要ですが、産業用IoTソリューションにはより堅牢な対策が必要です。表面的なレベルでのセキュリティ解決は、大量製造プロセスにとって壊滅的な結果をもたらし、膨大な金額の生産損失を引き起こす可能性があります。制御プロセスの不備は、システムを不安定で危険な状態に置く可能性もあります。IIoTソリューションは、安全で回復力のあるシステムアーキテクチャ、専用チップセット、暗号化と認証脅威検出、安全な管理プロセスを含む高度なセキュリティ対策を組み込んでいます。

IIoTのビジネス上の利益

製造業者は、利益が生産プロセス全体で感じられるため、スマートで接続された機器の使用を好みます。洞察は、ダウンタイムを削減し効率を向上させるのに役立ち、利益は単一タイプの機械から始まり、生産ライン全体にスケールします。機器プロバイダーも、スマートで接続された製品を提供することで、ビジネスを強化する多くの機会を見ています。

製造業者はIIoTから以下の利益を求めることがよくあります：

ダウンタイムの削減

平均的な自動車製造業者は、生産ラインが停止すると1分あたり22,000ドルを失い、全体として、計画外のダウンタイムは産業製造業者に年間500億ドルものコストをかけると、自動車業界幹部の調査によります。オペレーターは、機器の性能に関する24時間365日の洞察と、予期しない状況に即座に反応する機能により、このコストの高い予期しないダウンタイムと戦うためにIIoTを使用します。IIoTにより、メンテナンスを予測・計画し、運用上の問題が発生する前に検出し、インシデントが発生した理由を正確に学び、特定のパラメータが満たされたときに資産上で自動化されたアクションを実行できます。これらすべてが、より多くのアップタイムとより良い性能を約束します。

出力品質の向上

高度な洞察、自動化、生産ラインのリアルタイム制御により、IIoTはラインを離れるすべての製品が一貫していることを保証し、欠陥製品の数を削減します。

持続可能性の向上

Transforma InsightsのSustainability Reportでは、ビジネスリーダーの95%がIoT対応アプリケーションの展開による電力と燃料の節約を認めています。IIoTは製造エネルギーと材料消費の透明性を可能にし、より持続可能でスマートな決定を下し実行する専門知識を提供します。エネルギー節約と組織の炭素フットプリントの比例的削減は、従来のIIoTユースケースの展開を通じて可能になります：リモート監視、スマートフィールドサービス、性能管理。

安全性の向上

機器をリモートで監視・管理できる場合、機器に何か問題があることを最初に知ることができます。そして、従業員のフィールドへの出張回数を制限でき、これは危険な環境で特に重要です。

機器プロバイダーは主に、スマートで接続された機器の提供から以下の利益に焦点を当てています：

新機能と能力による製品差別化

プロバイダーは、デジタルサービスを通じて新しい回復力のある収益源を創出し、特に顧客が資産をどのように使用するかを理解する場合、価値を付加する機能をより迅速に開発できます。さらに、エネルギー効率は、よりグリーンな製品を求める顧客と、エネルギー費用を削減したい顧客の両方にとって魅力的です。

製品使用に関するより大きな洞察の収集

生産環境で機器がどのように使用されるかに関する正確なデータを収集し、顧客が実際に製品をどのように使用または誤用するかについての洞察を得ます。その後、それに応じて製品を最適化します。

新しいビジネスモデルと新しい収益源の開拓

機器メーカーは、製品性能を顧客ニーズと整合させることに焦点を当てたEquipment-as-a-Serviceなど、新しいサービスベースのビジネスモデルを開拓するためにIIoTを使用しています。この新しいビジネスモデルは、縮小するハードウェアマージンへの依存から、より収益性の高いアフターセールサービスと部品へとシフトします。

顧客体験の向上

IIoTで競合他社と差別化し、顧客を満足させ続けます。Bain & CompanyのGlobal Machinery & Equipment Reportによると、付加価値のあるIoT対応サービスを実装する機械会社は、そうでない会社よりも8倍大きな株主リターンを持っています。機器メーカーは、性能とセキュリティのためのソフトウェアとファームウェアの更新など、顧客が心配したくないタスクを処理しながら、顧客に機器状態の詳細な概要を提供できます。

IIoTユースケース

IIoT接続機器の力は、正しく展開された場合、機器メーカーとそれを使用する製造業者の両方に利益を提供することです。IIoTには多数のユースケースがあります。以下は、実際の一般的なユースケースの例を示しています：

リモート監視

IoTリモート監視は、接続されたデバイスを使用して機器の使用と性能に関するライブ洞察を得ます。これらの洞察は、顧客にとって最も重要な新しい製品機能の開発を加速します。

リモート監視はまた、製造業者、公益事業者、物流プロバイダー、その他の業界の機器ユーザーに、メンテナンスとダウンタイムに関連するコストを節約します。McKinseyによると、リモート資産状態監視はメンテナンスコストを30%削減し、機械のダウンタイムを50%削減できます。

ロンドン市が2020年までに中央ロンドンで世界初の超低排出ゾーンを創設するという野心的な目標を設定したとき、大型車両と機器のテレメトリの専門家であり、自動化、電動化、デジタル化のリーダーであるSensor-Technik Wiedemann（STW）がその取り組みに関与しました。

この野心的な目標を達成するために、STWは5,000台以上の市バスからのすす粒子[PM]と窒素酸化物[NOx]排出に関するリアルタイムデータのためにリモート監視を活用しました。このバスデータへの即座のアクセスにより、ロンドンは排出データから車両故障、GPSベースの位置、燃料消費まで、すべての車両がリアルタイムで何をしているかをボタンのクリックで可視化できました。

これらのリモート監視機能により、ロンドンはバスの粒子状物質を99%、NOxを90%削減できました。そして、必要になる前に自動故障アラートと予測メンテナンスアクションを可能にすることで、バス路線はこれまで以上にスムーズかつ効率的に運行されました。

リアルタイムアラート

発生する前でも特定のイベントを通知する自動リアルタイムアラート。これらのアラートは、温度が高すぎる、圧力が低すぎるなど、機器故障の可能性の兆候を検出でき、リスクを最小限に抑えながらダウンタイムを劇的に削減します。

世界初の完全電動エントリークラス単座レーシングシリーズの背後にある組織、Electric Racing Academy（ERA）は、電気自動車を接続されたインテリジェンスの車両に変えたいと考えていました。これを実現するために、ERAはIoT技術を活用して、リアルタイムレーシングデータの流動的な流れをCumulocityプラットフォームに送りました。速度、加速度、トルク、RPM、温度などについて継続的にストリーミングされるデータにより、ドライバーとコーチは天候条件や再生電力レベルなどのパラメータに対してリアルタイムアラートを設定できます。これらの通知は、チームが安全性と性能関連の決定を瞬時に下すのに役立ちます。

デジタルツイン

IoTデジタルツインは、単一のデバイスから製造生産プロセス全体まで、現実世界のエンティティのデジタル表現です。数百の資産があり、それぞれが多くの異なるタイプのセンサーを備えていても、デジタルツインを作成することで、単一のダッシュボードからそれらの分散した資産を管理、監視、テストできます。

デジタルツインは、過酷でリモートな環境で微調整された機械を操作するのに便利です。例えば、風力タービンのデジタルツインを展開することは、それと同一の視覚的表現に24時間365日アクセスできることを意味します。直接重要な情報を収集するには危険すぎる場合にタービンを監視し、風、波、温度などの環境ハザードがタービンを損傷しないことを確認できます。デジタルツインを使用して、損傷が発生する前に風力タービンを停止するなど、物理的な機械に対してもアクションを実行できます。

ターンキー自動車ボディ塗装工場の設計と建設における世界的リーダーであるThe Geico Taikisha Groupは、詳細な生産データへのアクセスにより顧客とのつながりを維持するためにデジタルツインを活用しました。これにより、Geicoは機械の性能と遭遇する一般的なエラーを理解し、この情報をさらに使用して顧客の塗装工場セル性能を向上させることができました。

Geicoの顧客も、機械でこれらのデジタルツイン機能にアクセスしました。これにより、顧客は潜在的な効率、脆弱性、そして最も顕著なコスト削減のためのライブシミュレーションを作成できました。

この透明性により、顧客は支出削減のためにメンテナンスとダウンタイムを予測できました。そして、スマートエネルギー管理機能により、顧客は持続可能性とさらなるコスト削減イニシアチブのためのリソース使用の詳細な最適化にデジタルツインを使用できます。

スマートフィールドサービス

フィールドサービスでは、機器プロバイダーの従業員が顧客サイトに出向いて、設置、機器修理、部品交換、定期メンテナンス、コンサルティングサービスなどのサービスを実行する必要があります。その結果、機器メーカーは顧客機器の診断、修理、改善を行う技術サービスプロバイダーのチームを管理する必要があります。

スマートフィールドサービスは、フィールドの機器から収集されたIoTデータを理解するために分析を使用します。プロバイダーは洞察を使用してフィールドサービスを特定、スケジュール、計画、実行し、将来必要なメンテナンスとサポートのより正確な理解を顧客に提供するために情報を共有できます。これは、技術者が必要な場合にのみフィールドを訪問することを意味します。そして、必要な場合、作業は最初の訪問で完了します。

空圧機器の製造を専門とするSMC。「空気はお金がかかる」ビジネスにおいて、SMCは漏れによる空気損失に関連するコストを会社とそのエンドユーザーに節約するためにIoT技術を拡張したいと考えていました。

漏れ問題を支援するために機器サイトに出向く代わりに、SMCは圧縮空気漏れがどこにあり、どのようにインシデントを削減できるかをエンドユーザーに測定・表示します。出張は不要です。SMCにとって、スマートフィールドサービスは顧客の計画外ダウンタイムのリスクを排除し、工場管理者がすべての人にとってより良い体験のために迅速かつリモートでメンテナンスを実行できるようにします。

分析

IoT分析により、IoTデータで明らかになる強力な洞察を理解、予測、行動できます。3つのカテゴリに分類できます：

• 履歴分析は何が起こったかを理解するのに役立ちます。

• ストリーミング分析は今何が起こっているかを理解するのに役立ちます。

• 予測分析は将来何が起こりそうかを理解するのに役立ちます。

IoTの経済的影響に関するForresterレポートによると、高度な分析は機器の寿命を最大200%延長し、電力コストを最大20%削減する推奨事項を生成します。

予測メンテナンス

予測分析により、製造業者は予測メンテナンスサービスを提供でき、顧客のアップタイム最大化、メンテナンスニーズの予測、メンテナンスコストの削減を支援します。

予測メンテナンスサービスは、初回修理率、サービス提供コスト、顧客生涯価値などのフィールドサービスの主要効率指標を改善します。また、コストの高いダウンタイムを防ぐことで顧客ロイヤルティと満足度を向上させます。

世界有数の機械・プラントエンジニアリング企業の一つであるDürrは、IIoT分析を自動車塗装業界を革命化する方法と見なしていました。Dürrのロボット塗装アプリケーターでは、気流を形成する責任を持つ数十の小さなエアノズルが時間とともに汚染されます。これは、清掃が必要かどうかに関係なく固定清掃サイクルと、欠陥が発見される前の複数の車体の汚染塗装実行の時折を意味していました。

ロボットに数百のIoTセンサーを装備することで、Dürrはセンサーデータに高度な分析を適用し、小さなエアノズルで予測メンテナンスを実行できるようになりました。その結果、ノズルは汚染を防ぐために必要な場合にのみ清掃されます。そして、汚染された成形空気ノズルによる欠陥塗装実行は、データに裏付けられた正確な予測メンテナンス計画のおかげでもはや発生しません。

性能最適化

IoT性能最適化により、運用性能を向上させることができ、総合設備効率（OEE）は機械の可用性、性能、品質を測定するための信頼できる標準です。

接続された機器からの豊富なデータストリームにより、正確性と容易さで運用の性能を管理できます。OEE計算を使用して機器性能を定量化し、機械寿命の延長を支援できます。機器メーカーにとって、これは顧客が機器から最大の使用と価値を得ることを保証します。顧客にとって、生産ラインを流し続けるためのスマートで迅速な意思決定のために、OEEを自分で表示する権限を与えられます。

Equipment-as-a-Serviceビジネスモデルへのシフト

製造業は、製品を市場に提供する方法の変革を経験しています。顧客は機器により多くを求め、運用効率を向上させるためのデータ駆動サービスを求めています。同時に、多くは資本集約的なハードウェアへの投資を躊躇し、代わりに機械の出力に対して支払うことを好みます。これは、製造業者の製品がEquipment-as-a-Service（EaaS）などの新しいモデルを可能にするために進化しなければならないことを意味します。

IIoTはこのEaaSへの進化を推進しています。スマート機器を提供する製造業者は、生産性を向上させ、メンテナンス問題を予測し、高効率目標を達成するために機械に接続し続けることができます。コストだけでなく環境も節約します。機器メーカーは、設置された機器の性能を分析し、特定のサービスレベル合意（SLA）を保証できるようにするために、運用データへのアクセスを得るためにIoTを使用します。これらのサービスは、機器への洞察と制御を向上させます。より低い初期コスト、改善されたアップタイム、より低い総所有コスト（TCO）のおかげで、主要な機器メーカーは